KR102455897B1 - 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법 - Google Patents

Abstract

두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법은: (1) 광학 소프트웨어에서 렌즈 모델을 확립하고; (2) 렌즈 모델을 조사하는 입사광을 시뮬레이션하여, 입사광과 출사광이 평행한지 비교하고; (3) 평행한 경우, 그 렌즈의 입사면과 출사면의 곡률과 두께를 기록하고 렌즈 초도품을 만들고; 평행하지 않은 경우, 상기 렌즈 모델의 입사면과 출사면 간의 두께를 조정하여, 평행이 되도록 한 다음, 이 때 그 입사면과 출사면의 곡률과 두께를 기록하고 렌즈 초도품을 만들고; (4) 초도품의 합격 여부를 검증하여, 불합격이면 (2) 단계로 돌아가 다시 시작한다. 본 방법에 의해 획득되는 렌즈는 왜곡이 제거되거나 줄어, 이미지가 선명하고, 장시간 사용하여도 사람들이 현기증이 나지 않게 한다.

Description

두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법

본 발명은 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법과 관련된다.

참고적으로, 본 출원은 출원일이 2017 년 11 월 22일이고, 출원 번호가 제2017111698523호이며, 발명의 명칭이 “두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법”인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 인용 방식을 통해 본 출원에 포함된다.

렌즈는 장착된 화면의 중심이고 프레임 내에 배치하기에 적합하므로 경심(鏡心)이라고도 한다. 그 형태는 수평 및 수직이 모두 가능하며, 간단하고, 편리한 조립 유형이다. 현대 과학 기술의 발달로 렌즈의 적용은 모든 업종과 우리들의 일상 생활에 깊숙이 침투했다.

그러나, 설계 원리로 인해, 많은 렌즈가 두께가 균일한 렌즈로 만들어져 그 시각 효과가 대부분의 사람들의 요구 사항을 충족시킬 수가 없다. 예를 들면, 이미징 효과가 선명하지 않고 왜곡 등의 문제를 제거할 수가 없다. 따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 렌즈의 입사면과 출사면 간의 두께를 조정하여, 입사광이 출사광과 평행이 되도록 함으로써, 선명한 이미징를 획득하고 왜곡을 제거하는 효과를 달성할 수 있는 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 기술 방안을 제공한다: 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법에 있어서, 상기 방법은:

광학 소프트웨어에서 렌즈 모델을 확립하고, 상기 렌즈 모델의 크기를 결정하고, 상기 렌즈 모델의 입사면 및 출사면의 곡률에 따라 상기 렌즈 모델의 사전 두께를 결정하는, S1 단계;

광학 소프트웨어에서 상기 렌즈 모델의 입사면을 통해 입사하고 상기 렌즈 모델의 출사면을 통해 출사하도록 입사광을 시뮬레이션하여, 상기 입사광과 출사광이 평행한지 비교하는, S2 단계;

상기 입사광이 상기 출사광과 평행한 경우, 그 렌즈 모델의 입사면과 출사면의 곡률과 두께를 기록하고, 광학 소프트웨어에서 렌즈 초도품을 만들고; 상기 입사광과 상기 출사광이 평행하지 않은 경우, 상기 렌즈 모델의 입사면과 출사면 간의 두께를 조정하여, 상기 입사광과 상기 출사광이 평행이 되도록 한 다음, 이 때 그 입사면과 출사면의 곡률과 두께를 기록하고 렌즈 초도품을 만드는, S3 단계;

광학 소프트웨어에서 광원과 수신 화면을 설정하고, 광원을 켜고, 상기 수신 화면을 상기 광원으로부터 떨어진 다른 거리에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기를 기록하고, 상기 위치와 크기는 변하지 않으며; 상기 렌즈 초도품을 상기 광원과 수신 화면의 중간에 놓고, 광원을 켜고, 상기 수신 화면을 상기 광원으로부터 떨어진 다른 거리에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기를 기록하며, 만약 위치와 크기가 변하지 않은 경우, 상기 렌즈 초도품은 렌즈 완성품이며, 위치와 크기가 변한 경우, S2 단계로 돌아가서, 마지막 상기 렌즈 초도품을 상기 광원과 수신 화면의 중간에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기가 변하지 않을 때까지 S2 단계 및 S3 단계를 반복하는, S4 단계;를 포함한다.

추가적으로, 상기 광원은 평행 광원이고, 상기 입사광은 평행광이다.

추가적으로, 상기 S3 단계에서 획득된 상기 렌즈 초도품은 렌즈 중심과 렌즈 가장자리를 가지며, 상기 렌즈 초도품의 곡률 반경은 상기 렌즈 중심으로부터 상기 렌즈 가장자리까지 점차적으로 증가한다.

추가적으로, 상기 S3 단계에서 획득된 상기 렌즈 초도품의 재질은 플라스틱 또는 유리이다.

추가적으로, 상기 렌즈는 비구면 렌즈이고, 상기 비구면 렌즈는 반 타원형, 사다리꼴 또는 직사각형이다.

추가적으로, 광학 소프트웨어에서 렌즈 완성품을 만들 수 있는 최종 모델을 사용하여 최종 렌즈 완성품을 생산하는 몰드를 제작한다.

렌즈의 입사면과 출사면 간의 두께를 조정하여, 입사광이 출사광과 평행이 되도록 함으로써, 선명한 이미징를 획득하고 왜곡을 제거하는 효과를 달성할 수 있다.

상기 설명은 본 발명의 기술 방안에 대한 개관일 뿐이며, 본 발명의 기술적 수단을 보다 명확하게 이해하고 명세서의 내용에 따라 구현될 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부 도면에 대한 상세한 설명이 이어진다.

도 1은 본 발명의 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법의 흐름도이다.
도 2a는 광원으로부터 0.5m 거리에서의 수신 화면의 조도 분포이다.
도 2b는 광원으로부터 1m 거리에서의 수신 화면의 조도 분포이다.
도 2c는 광원으로부터 2m 거리에서의 수신 화면의 조도 분포이다.
도 3a는 두께가 균일한 광학 렌즈이다.
도 3b는 두께가 균일한 렌즈를 통해 0.5m 거리에서 수신 화면 상의 광원의 조도 분포이다.
도 3c는 두께가 균일한 렌즈를 통해 1m 거리에서 수신 화면 상의 광원의 조도 분포이다.
도 3d는 두께가 균일한 렌즈를 통해 2m 거리에서 수신 화면 상의 광원의 조도 분포이다.
도 4a는 두께가 불균일한 광학 렌즈이다.
도 4b는 두께가 불균일한 렌즈를 통해 0.5m 거리에서 수신 화면 상의 광원의 조도 분포이다.
도 4c는 두께가 불균일한 렌즈를 통해 1m 거리에서 수신 화면 상의 광원의 조도 분포이다.
도 4d는 두께가 불균일한 렌즈를 통해 2m 거리에서 수신 화면 상의 광원의 조도 분포이다.
도 5는 AR 광학 마스크 렌즈의 제 1 입체 개략도이다.
도 6은 AR 광학 마스크 렌즈의 제 2 입체 개략도이다.
도 7은 AR 광학 마스크 렌즈의 제 3 입체 개략도이다.

다음은 첨부 도면과 실시예를 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 방식에 대해 추가적으로 상세한 설명을 진행한다. 이하의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용되어서는 안된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예인 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:

S1 단계: 광학 소프트웨어에서 렌즈 모델을 확립하고, 상기 렌즈 모델의 크기를 결정하고, 상기 렌즈 모델의 입사면 및 출사면의 곡률에 따라 상기 렌즈 모델의 사전 두께를 결정한다;

S2 단계: 광학 소프트웨어에서 상기 렌즈 모델의 입사면을 통해 입사하고 상기 렌즈 모델의 출사면을 통해 출사하도록 입사광을 시뮬레이션하여, 상기 입사광과 출사광이 평행한지 비교한다;

S3 단계: 상기 입사광이 상기 출사광과 평행한 경우, 그 렌즈 모델의 입사면과 출사면의 곡률과 두께를 기록하고, 광학 소프트웨어에서 렌즈 초도품을 만들고; 상기 입사광과 상기 출사광이 평행하지 않은 경우, 상기 렌즈 모델의 입사면과 출사면 간의 두께를 조정하여, 상기 입사광과 상기 출사광이 평행이 되도록 한 다음, 이 때 그 입사면과 출사면의 곡률과 두께를 기록하고 렌즈 초도품을 만든다;

S4 단계: 광학 소프트웨어에서 광원과 수신 화면을 설정하고, 광원을 켜고, 상기 수신 화면을 상기 광원으로부터 떨어진 다른 거리에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기를 기록하고, 상기 위치와 크기는 변하지 않으며; 상기 렌즈 초도품을 상기 광원과 수신 화면의 중간에 놓고, 광원을 켜고, 상기 수신 화면을 상기 광원으로부터 떨어진 다른 거리에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기를 기록하며, 만일 위치와 크기가 변하지 않은 경우, 상기 렌즈 초도품은 렌즈 완성품이며, 위치와 크기가 변한 경우, S2 단계로 돌아가서, 마지막 상기 렌즈 초도품을 상기 광원과 수신 화면의 중간에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기가 변하지 않을 때까지 S2 단계 및 S3 단계를 반복한다.

이 실시예에서, 상기 광원은 평행 광원이고, 상기 입사광은 평행광이었다. 평행 광원은 길이 40mm인 작은 광원이고, 총 4 개이고, 입구자 모양(口字型)을 형성하도록 설정되었으며，상기 광원으로부터 0.5m, 1m 및 2m의 거리에 각각 수신 화면을 놓고, 광원을 켜고, 수신 화면에서 투사된 광 패턴의 위치와 크기가 변하는지 여부를 관찰하였다. 상기 광원과 수신 화면 사이에 아무 것도 배치되지 않은 경우, 상기 수신 화면에서 상기 투사된 광의 위치와 크기는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 수신 화면과 광원 사이의 거리가 변하더라도, 상기 수신 화면에서 상기 투사된 광의 위치와 크기는 변하지 않았다.

도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 광원과 수신 화면 사이에 두께가 3mm로 균일한 렌즈를 놓고, 상기 광원으로부터 0.5m, 1m 및 2m 의 거리에 각각 수신 화면을 놓고, 광원을 켜고, 수신 화면에서 투사된 광 패턴의 위치와 크기가 변하는지 관찰하였다. 결과는, 광원으로부터 발사된 광이 여전히 평행광 임에도 불구하고, 광이 두께가 균일한 렌즈를 통과한 후, 출사광이 상기 입사광과 평행하게 유지되지 않았으며, 상기 수신 화면과 광원의 거리가 증가할수록, 출사광과 입사광의 거리도 증가하는 것을 보여주었다. 도 3d를 참조하면, 수신 화면이 광원으로부터 2m 떨어진 경우, 일부 영역의 광은 더 이상 수신될 수 없었다.

도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 상기 광원과 수신 화면 사이에 두께가 3mm에서 2mm로 점차적으로 변하는 불균일한 렌즈를 놓고, 광원으로부터 0.5m, 1m 및 2m의 거리에 각각 수신 화면을 놓고, 광원을 켜고, 수신 화면에서 투사된 광 패턴의 위치와 크기가 변하는지 관찰하였다. 결과는, 수신 화면과 광원 사이의 거리가 변하더라도, 상기 수신 화면에서 투사된 광의 위치와 크기가 변하지 않음을 보여주었다.

물론, 다른 실시예에서, 렌즈의 두께는 다른 값일 수 있다.

실험 결과에 따라, 광학 소프트웨어에서 렌즈 완성품을 만들 수 있는 최종 모델을 사용하여 최종 렌즈 완성품을 생산하는 몰드를 제작하며, 이는 대규모 렌즈 생산에 사용된다. 상기 렌즈는 렌즈 중심과 렌즈 가장자리를 가지며, 상기 렌즈의 곡률 반경은 렌즈 중심으로부터 렌즈 가장자리까지 점차적으로 증가한다. 상기 렌즈의 재질은 플라스틱 또는 유리이다. 상기 렌즈는 비구면 렌즈이고, 상기 비구면 렌즈는 반 타원형, 사다리꼴 또는 직사각형이다. 이 실시예에서, 상기 렌즈는 AR 광학 마스크 렌즈이다.

상기 AR 광학 마스크 렌즈는 곡면 패널(1) 및 상기 곡면 패널(1)의 가장자리를 따라 균등하게 분포된 복수의 버클(2)을 포함하고, 상기 곡면 패널(1)은 본체 및 본체의 양쪽으로부터 연장되는 아크부(12)를 포함하고, 상기 본체와 아크부(12)는 공동으로 반폐쇄형 수용 공간을 형성하고, 상기 곡면 패널(1)의 두께 및 라디안 반경은 아크부(12)로부터 본체를 향하여 점차적으로 증가하고, 상기 아크부(12)의 두께는 1.32 ~ 2.31mm의 범위이고, 또한 본체로부터 떨어진 일단으로부터 본체와 가까운 다른 일단까지 점차적으로 증가하며, 상기 본체의 두께는 2.31 ~ 2.35mm이다. 본 발명의 AR 광학 마스크 렌즈는 두께가 가변이므로, 두께가 불균일한 가변 곡률(즉, 자유 곡률)의 AR 광학 마스크 렌즈 설계를 통해 본 발명의 AR 광학 마스크 렌즈는 왜곡을 감소 또는 제거할 수 있어, 이미지가 선명하고, 장기간 사용한 후에도 사람들이 현기증을 느끼지 않을 수 있다.

상기 본체는 상기 아크부(12)에 가까이 배치된 제 1 본체(11) 및 상기 아크부(12)로부터 떨어져 배치된 제 2 본체(10)를 포함하고, 상기 제 1 본체(11)의 두께는 아크부(12)에 가까운 일단으로부터 아크부(12)로부터 떨어진 다른 일단까지 점차적으로 증가하고, 상기 제 2 본체(10)의 두께는 아크부(12)에 가까운 일단으로부터 제 2 본체(10)의 중심선 위치까지 점차적으로 감소한다. 여기서 설명된 근시의 최적 실시예는, 다른 실시예에서, 또한 굴절률 실험에 따라 파형(波形)의 곡면 패널(1)을 얻을 수 있음에 유의해야 한다. 곡면 패널(1)의 두께는 순차적으로 증가 또는 감소하지 않지만 곡면 패널(1)을 무수한 작은 세그먼트로 분할하더라도, 각각의 작은 세그먼트의 두께는 크게 다르지 않은 여러 두께 값을 가질 수 있고, 각 세그먼트는 조립되어 파형의 곡면 패널(1)로 형성된다. 예를 들어, 곡면 패널이 N 개의 작은 세그먼트로 분할되고, N-1 세그먼트의 두께를 값 a로 가정하면, N-2 세그먼트 및 N 세그먼트의 두께는 a보다 클 수 있다. 그러나, 곡면 패널(1)의 전체적인 추세는 여전히 순차적으로 증가 또는 감소한다. 이렇게 하면 왜곡을 줄이거나 없앨 수 있어서, 이미지가 선명해 진다.

상기 본체의 내벽의 곡률 반경은 6.3 ~ 432.3 mm 범위이고, 외벽의 곡률 반경은 6.0 ~ 531.3 mm 범위이며, 또한 모두 아크부(12)에 가까운 제 1 본체(11)의 일단으로부터 제 2 본체(10)의 중심선 위치까지 먼저 점차적으로 증가한 다음 점차적으로 감소한다. 상기 아크부(12) 내벽의 곡률 반경은 6.3 ~ 11.1mm의 범위이고, 외벽의 곡률 반경은 6.0~11.5mm의 범위이며, 또한, 모두 상기 제 1 본체(11)로부터 떨어진 아크부(12)의 일단으로부터 제 1 본체(11)에 가까운 다른 일단까지 먼저 점차적으로 감소한 다음 점차적으로 증가한다. 두께와 동일하게, 간격 설정을 통해 대응하는 두께에 상이한 곡률을 적용할 수도 있어서, 상기 파형의 곡선 패널(1)의 선이 더 매끄럽고, 외관 촉감이 더 양호하고, 왜곡이 더 잘 제거될 수 있다.

상기 버클(2)은 상기 곡면 패널(1)로부터 돌출되게 설치되고, 상기 버클(2)은 상기 곡면 패널(1)에 수직으로 연장되는 블록 및 상기 블록의 일측으로부터 블록 내부를 향해 오목한 홈을 포함한다. 본 발명은 버클(2)의 구조를 사용하여 다른 AR 광학 마스크 렌즈의 대응 부분과 버클링하므로, 구조가 간단하고 분해 및 유지 보수가 쉽다.

상기 AR 광학 마스크 렌즈는 곡면 패널(1)의 측벽에 개설된 고정 구멍 (미표시)을 추가로 포함하며, 고정 구멍을 통해 상기 AR 광학 마스크 렌즈의 다른 부분에 고정될 수 있어서, 본 발명의 AR 광학 마스크 렌즈가 간단한 구조를 가지게 되고, 공간 활용율이 높게 된다.

요약하면, 본 발명의 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법은 렌즈의 입사면과 출사면 간의 두께를 조정하여, 입사광이 출사광과 평행이 되도록 함으로써, 선명한 이미징를 획득하고 왜곡을 제거하는 효과를 달성하고, 장기간 사용하더라도 사람들이 현기증이 나지 않게 한다.

전술한 실시예의 기술적 특징은 임의로 조합될 수 있지만, 설명을 간략화하기 위해, 전술한 실시예에서의 기술적 특징의 모든 가능한 조합을 설명하지 않았다. 그러나, 이들 기술적 특징의 조합에 모순이 없는 한, 이 명세서의 기재 범위로 인정해야 한다.

전술한 실시예는 본 발명의 일부 실시예만을 표현하며, 그 설명은 비교적 구체적이고 상세하지만, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. 본 분야의 기술자는 본 발명의 개념을 벗어나지 않으면서 본 발명의 보호 범위 내에 속하는 여러 가지 수정 및 개선을 가할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 보호 범위에 속함을 유의해야 한다. 따라서, 본 발명 특허의 보호 범위는 첨부된 청구 범위를 기준으로 해야 한다.

1: 곡면 패널, 2: 버클, 10: 제2 본체, 11: 제1 본체, 12: 아크부

Claims (6)

1. 광학 소프트웨어에서 렌즈 모델을 확립하고, 상기 렌즈 모델의 크기를 결정하고, 상기 렌즈 모델의 입사면 및 출사면의 곡률에 따라 상기 렌즈 모델의 사전 두께를 결정하는, S1 단계;
   광학 소프트웨어에서 상기 렌즈 모델의 입사면을 통해 입사하고 상기 렌즈 모델의 출사면을 통해 출사하도록 입사광을 시뮬레이션하여, 상기 입사광과 출사광이 평행한지 비교하는, S2 단계;
   상기 입사광이 상기 출사광과 평행한 경우, 그 렌즈 모델의 입사면과 출사면의 곡률과 두께를 기록하고, 광학 소프트웨어에서 렌즈 초도품을 만들고; 상기 입사광과 상기 출사광이 평행하지 않은 경우, 상기 렌즈 모델의 입사면과 출사면 간의 두께를 조정하여, 상기 입사광과 상기 출사광이 평행이 되도록 한 다음, 이 때 그 입사면과 출사면의 곡률과 두께를 기록하고 렌즈 초도품을 만드는, S3 단계;
   광학 소프트웨어에서 광원과 수신 화면을 설정하고, 광원을 켜고, 상기 수신 화면을 상기 광원으로부터 떨어진 다른 거리에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기를 기록하고, 상기 위치와 크기는 변하지 않으며; 상기 렌즈 초도품을 상기 광원과 수신 화면의 중간에 놓고, 광원을 켜고, 상기 수신 화면을 상기 광원으로부터 떨어진 다른 거리에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기를 기록하며, 만약 위치와 크기가 변하지 않은 경우, 상기 렌즈 초도품은 렌즈 완성품이며, 위치와 크기가 변한 경우, S2 단계로 돌아가서, 마지막 상기 렌즈 초도품을 상기 광원과 수신 화면의 중간에 놓고, 수신 화면에서 광의 위치와 크기가 변하지 않을 때까지 S2 단계 및 S3 단계를 반복하는, S4 단계;를 포함하며;
   상기 S3 단계에서 획득된 상기 렌즈 초도품은 렌즈 중심과 렌즈 가장자리를 가지며, 상기 렌즈 초도품의 입사면 및 출사면의 곡률 반경은 상기 렌즈 중심으로부터 상기 렌즈 가장자리까지 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 S4 단계에서,
   상기 광원은 평행 광원이고, 상기 입사광은 평행광인 것을 특징으로 하는, 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 S3 단계에서 획득된 상기 렌즈 초도품의 재질은 플라스틱 또는 유리인 것을 특징으로 하는, 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 렌즈는 비구면 렌즈이고, 상기 비구면 렌즈는 반 타원형이거나, 또는 곡면 패널 양측으로부터 연장되는 아크부를 포함하는 사다리꼴 또는 직사각형인 것을 특징으로 하는, 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   광학 소프트웨어에서 렌즈 완성품을 만들 수 있는 최종 모델을 사용하여 최종 렌즈 완성품을 생산하는 몰드를 제작하는 것을 특징으로 하는, 두께가 불균일한 광학 렌즈의 설계 방법.

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